Petri Net模拟多种生态系统服务的时间动态

如何表示生态系统服务的时间动态是目前生态系统服务建模研究的前沿问题。现有的生态系统服务模型大多仍是将多种生态系统服务单独考虑而进行静态的模拟，Rova等人提出了一种基于Petri Net模拟多种生态系统服务时间动态的方法，从社会生态系统的角度帮助我们理解不同情境下生态系统服务的动态变化。

模拟多种生态系统服务动态的重要性

生态系统服务是在生态系统和人类的复杂相互关系中形成的，目前已有许多建模工具用于评估生态系统服务，并能够在多种情境下预测。但这些工具缺少对三个关键方面的理解：生态系统服务时空动态、生态系统服务联系人类福祉、技术促进或替代对生态系统服务的影响。大多数现有模型仍基于土地利用数据，依靠多次输入获得动态变化的趋势，并不是真正的模拟了生态系统服务的动态变化，实则仍是静态的核算。同时这些模型将不同生态系统服务分别核算，忽略了生态系统服务间自身的相关关系。因而，从社会生态系统的角度出发，同时对多种生态系统服务综合考虑，能够更好的把握生态系统服务在系统中的复杂过程、反馈和权衡。

Petri Net建模应用

作者以威尼斯泻湖为例，在社会生态系统分层框架的基础上选择了包括气候调节、水土保持、手工渔业、蛤类捕捞、文化旅游等13种生态系统服务，利用Petri Net构建了生态系统服务动态模型可以达到只输入一次初始条件就能够通过整个系统动态获得未来的模拟。

1. 区分生态系统服务的拓扑结构

根据生态系统服务供给是否与人类活动有关联，将其分为直接过程（与人类活动无关联，如调节服务）和间接过程（与人类相关，如供给服务和文化服务）。再根据生态系统服务所依赖的资源类型、是否存在负外部性将13种生态系统服务分为了6个拓扑组。

2. 构建Petri Net网络关系

Tips：Petri Net

Petri Net是离散并行系统的数学表示。分为库所（places）和变迁（transition）两种节点。节点之间通过不同性质的有向弧进行连接。普通弧（normal arc）表示输入且被消耗；读取弧（read arc）表示输入但不被消耗；改变弧（modifier arc）表示输入会改变原有速率。

将社会生态系统中的各个项目、状态、资源作为库所节点，相互作用作为变迁节点，根据拓扑组的逻辑关系建立有向弧构建网络，包括社会过程的影响、生态功能与过程、以及生态系统服务反馈对社会的影响。用生态学中常用的函数关系或利用基于合理假设构建的函数关系表示相互作用的过程。

3. 考虑外部驱动因子设置情景分析

作者选取了气候变化和泻湖管理两种因子分别设置四大类情景。区分直接过程和间接过程，分别对其所属的生态系统服务计算综合指标进行分析。综合指标用各项生态系统服务模拟结果相较于初始条件的百分比变化总和进行表示。

a.照常情景(BAU),不考虑外部因子的变化。

结果发现13种生态系统服务中，除旅游和防止侵蚀两项增加以外，其余的都在不断损失。

b.气候变化情景(CC)，分别考虑海平面上升15，25，50cm的情况，但不采取任何管理措施。

结果发现越是极端气候情景，生态系统服务的损失越大，CC50cm情景下的损失是BAU的3倍。

c.泻湖管理情景(MOSE)，在海平面上升的前提下于泻湖入口设置障碍。

结果发现设置障碍仅在CC50cm情景下能够一定程度的减少损失，但在CC15cm和CC25cm上都对直接过程的生态系统服务影响较弱，却反而加重了间接过程的生态系统服务的损失。

d.额外管理情景，作者选取了12种管理措施，设置了单一管理情景（对12项措施分别模拟）、双管理情景（选取单一情景中最有效的四种措施两两组合）、三项管理情景（选取单一情景中最有效的四种措施三三组合）、多管理情景（选取单一情景中最有效的四种措施组合）四类。

结果显示单一管理措施对生态系统服务动态的影响不显著，同时采取三个以上措施效果较好。

4. 生态系统服务自相关性影响

为了进一步说明多种生态服务之间的相互作用，同时设置了另外三种参数配置作为对照，分别为不考虑生态系统服务间相互影响、不考虑生态反馈、均不考虑。对照组的结果显示忽略生态系统服务之间的权衡，对管理措施如何影响生态系统服务的理解会存在偏差，有些甚至是趋势上的扭转。

编者认为

作者基于社会生态系统的理念，利用Petri Net构建了生态系统服务的动态模型，并模拟了不同情景下威尼斯泻湖的生态系统服务动态。一方面强调了动态模拟对理解生态系统服务长期变化的重要性，另一方面也通过不同情境的对比说明了考虑多种生态系统服务权衡的重要性，指出了以往将各项生态系统服务独立考虑的局限性。引入反馈机制和管理措施的影响，为未来进一步利用模型支持决策提供了可能。但作者在考虑模型速率函数的过程中，由于复杂性的限制，使得该模型目前的定量性还有些欠缺，也缺乏对生态系统服务动态在空间上的显式表达，这可能是未来优化模型的方向。

原文出处

 Rova S, Meire P, Muller F, Simeoni M, Pranovi F. A Petri net modeling approach to explore the temporal dynamics of the provision of multiple ecosystem services. Sci Total Environ 2018; 655: 1047-1061